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利用IEEE1588和Blackfin嵌入式处理器实现设备时钟同步

发布时间:2020-07-21 17:55:02 阅读: 来源:桥架厂家

简介

本文引用地址: 1588标准诞生于2002年,主要定义网络分布式时钟的同步协议。测试与测量、电信和多媒体流处理等许多不同应用,都开始首选这种时钟同步方法。这种标准化时钟同步法成本效益高,支持异构系统,并可提供纳秒级同步精度。

本文介绍原版IEEE 1588-2002标准以及更新版本IEEE 1588-2008中的改进内容。由于IEEE 1588在一些目标应用中越来越重要,因此ADSP-BF518 Blackfin嵌入式处理器中也集成专用硬件来支持IEEE 1588。本文将概要介绍其功能,并通过一个示例来展示利用ADSP-BF518处理器解决方案获得的时钟同步性能结果。

现在几点了?

大多数系统都需要利用本振来维护自己的时间概念。图1显示硬件和软件如何组合,在系统内产生时间信息。

图1. 本地计时

系统内的硬件和软件资源均可使用此时间信息。对于硬件,振荡器时钟会产生一个或多个物理时钟信号(时钟输出),并可利用这些时钟信号驱动或触发系统的其它部分。软件中维护的时间通常称为“系统时间”。系统时间可以用时钟脉冲数或秒/纳秒的形式表示。系统软件利用振荡器时钟脉冲数及其频率信息得出时间,并提供“应用程序编程接口”(API)函数,软件的其它部分可以使用这些函数检索并设置时间。如果需要绝对时间,则所提供的时间将与预定义时间点,即基准时间点相关联。

时钟同步

许多应用要求两台独立的设备以同步方式工作。如果每台设备仅依靠自己的振荡器,则各振荡器的特性与工作条件差异将会限制时钟同步工作的能力。一些简单可行的解决方案可以克服这些限制,包括:

●所有设备共用一个物理振荡器。这种方法仅对距离很近的分布式系统可行;高频时钟信号无法实现长距离可靠传输。

●所有设备均使用特性几乎完全相同的振荡器。由于很难获得几乎完全一样的振荡器,并确保性能不随时间飘移,因此这种方法不可行。更重要的是,各振荡器的工作条件并不相同。

●如果所有设备均通过一个通信网络(例如以太网)互连,则这些设备可以通过网络交换时间消息,根据单个“主”时钟动态调整各自的时钟。利用传统的时间同步协议——“网络时间协议”(NTP),系统中的每台设备根据它从NTP时间服务器获取的时间信息调整其时钟。然而,该协议只能实现毫秒级同步精度。

IEEE 1588定义了一个新协议,能够实现纳秒级同步精度。下面讨论该标准如何实现这种水平的时钟同步。

IEEE 1588有何作用

IEEE 1588标准定义了一种时间同步协议,适用于地理位置分散但通过某种通信技术(例如以太网)互连的设备。设备之间通过交换时序消息,从而保持相同的绝对系统时间(用秒和纳秒表示)。

要实现此目标,一个直观的方法是将一台具有“最佳”(最精确)时钟的设备指定为“主时钟”设备,让它向其它设备广播其时间。其它设备将会调整各自的时间,与主时钟所发送的时间保持一致。不过,这种解决方案也有几点不足:

主时钟设备无法以极短的间隔广播时间,因此“从”时钟设备必须使用自己独立的“低劣”振荡器,在主时钟设备的两次广播之间插入时间点。这将导致主时钟更新周期之间的同步精度下降。

广播路径难免存在延迟,延迟幅度取决于通信技术,例如物理信号沿导线从一台设备传输至另一台设备所需的时间。这种延迟会进一步扩大主时钟与各从时钟之间的失调。

主时钟设备与各从时钟设备之间的广播路径存在差异,这会进一步降低各从时钟设备之间的同步精度。

IEEE 1588要求通过测量路径延迟,解决第二个和第三个问题。它还要求待调整的从时钟与主时钟保持步调一致,从而减轻第一个问题。如果可能,使用更小的广播间隔和更高质量的振荡器,可以进一步减轻第一个问题。

IEEE 1588如何测量通信延迟

IEEE 1588-2002定义了四种消息Sync、Followup、DelayReq和DelayResp,用来测量前向(主时钟至从时钟)和后向(从时钟至主时钟)路径的通信延迟。更新版本IEEE 1588-2008还提供其它机制,新增三种消息:PdelayReq、PdelayResp和 PdelayRespFollowup来测量“点对点延迟”。

这些消息中,Sync、DelayReq、PdelayReq和PdelayResp是所谓“事件”消息,在离开和到达一台设备时必须加上“时间戳”(记录本地时间)。给分组加上时间戳的方法有两种:

1.消息由软件处理时出现软件时间戳。通常出现在消息的接收/发送“中断服务程序”(ISR)中,该时间戳为系统时间的当前值。

2.消息实际到达或离开设备时出现硬件时间戳。该时间戳操作由硬件执行,硬件会维护自己的连续时间信息。

两种时间戳方法均为IEEE 1588所接受,但硬件时间戳的精度明显更高,如下文所述。

主时钟设备到从时钟设备的延迟

消息Sync和Followup由主时钟设备发送,从时钟设备负责接收这些消息,并计算主时钟设备到从时钟设备的通信路径延迟。

图2中,在时间点Tm1,主时钟设备软件读取当前本地系统时间(Tm1,软件时间戳),将其插入Sync消息中,并送出该消息。该消息在稍后的时间点Tm1'离开主时钟设备,该时间点为硬件时间戳。该消息在时间点Ts1'(从时钟设备本地时间)到达从时钟硬件,从时钟设备软件在稍后的时间点Ts1收到该消息。该软件将读取硬件时间戳以获得Ts1'。如果没有通信延迟,Ts1'应等于(Tm1' + Tms),其中Tms为主时钟与从时钟之间的时间差。该协议的最终目标是补偿此时间差。

图2. 测量主时钟设备与从时钟设备之间的通信延迟

发送Sync消息之后,主时钟设备软件通过时间戳单元读取Sync消息的离开时间Tm1',将其插入Followup消息中,然后在时间点Tm2发送该消息。从时钟设备软件在时间点Ts2收到此消息。此时,从时钟设备软件有两个时间:Ts1'(Sync到达时间)和Tm1'(Sync离开时间)。主从路径延迟Tmsd由公式1确定。

(1)

从时钟设备到主时钟设备的延迟

从时钟设备发送DelayReq消息,主时钟设备予以响应发送DelayResp消息。利用这些消息,从时钟设备可以计算从时钟设备到主时钟设备的通信路径延迟。

在时间点Ts3(图3),从时钟设备软件读取当前本地系统时间(Ts3),将其插入DelayReq消息中,并送出该消息。

图3. 测量从主通信延迟 linux操作系统文章专题:linux操作系统详解(linux不再难懂)

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